CONJUNTO EXPERIMENTAL

Os dados utilizados para a identificação de sistemas foram coletados no laboratório de elevação artificial (LEA), localizado na Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia. Este laboratório possui, basicamente, uma unidade de bombeio, um poço desenvolvido para testes e um sistema SCADA (do inglês supervisory control and data acquisition - sistema de supervisão, controle, aquisição de dados), os quais são descritos a seguir.

5.1.1 O poço e o sistema de bombeio mecânico

O poço do LEA (Figura 5.1) foi construído de modo que fosse possível simular condições reais de operação. As características do poço, coluna de hastes e fluido, em operação normal, são: 32 metros de profundidade, com fundo visível e acessível; revestimento: 6,35 cm (2,5 pol.); coluna do tubo de produção: 8,89 cm (3½ pol.); bomba de fundo: 4,45 cm (13/4 pol.); número de hastes: 5 hastes, sendo 3 de 1,5875 cm (5/8 pol.) com 7,62 m (25 pés) de comprimento cada, e 2 de seções curtas, sendo uma de 0,61 m (2 pés) e outra de 3 m (9,84 pés); haste polida: 3,175 cm (1 ¼ pol.); e curso de operação: 60,96 cm (24 pol.). O fluido contido no poço possui massa específica de 848 kg/m3.

A unidade de bombeio utilizada (Figura 5.2) é a API 25-67-36, com curso de operação de 24 polegadas, podendo operar até 12 ciclos por minutos (CPM). A Tabela 5.1 mostra as especificações do motor usado como força primária na unidade de bombeio.

Figura 5.1: Poço desenvolvido para testes.

Figura 5.2: Unidade de bombeio instalada na Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia.

Tabela 5.1: Especificações do motor de indução rotor tipo gaiola

Potência (/W) 3728,5 Rotação Nominal (/RPM) 1160

Frequência (/Hz) 60 Número de Pólos 6 Fator de potência (cos ) 0,75

Tensão Nominal (/V) 380 Corrente Nominal (/A) 8,86 Ip/In 6,8 Fator de Serviço 1,15 Conjugado de Partida 200 % Conjugado máximo 240 %

Fonte: WEG (adaptado pelo autor)

onde o termo Ip/In descrito na Tabela 5.1 é a relação entre corrente de partida e a corrente nominal. Ainda usando a Tabela 5.1, com base nas equações do motor de indução10 _{(equação (5.1) e (5.2)), pode-se obter outros dados do motor a fim de} complementar as informações fornecidas pela Tabela 5.1:

(5.1)

(5.2)

onde é a velocidade síncrona11 _{(velocidade de campo girante estatórico) do} motor, e refere-se à frequência da rede de alimentação. Na equação (5.2), é a velocidade assíncrona12 (velocidade de rotação do eixo do motor) nominal do motor (ver Tabela 5.1), e refere-se ao escorregamento do motor (Bose, 2002).

O motor foi instalado no campo com o auxílio do autor do presente trabalho.

5.1.2 Célula de carga e o potenciômetro

A Figura 5.3 mostra em detalhe a disposição da célula de carga e do potenciômetro instalados na haste polida. Observa-se que todo o peso do conjunto de hastes, que

10 _{Para detalhes sobre as equações e funcionamento do motor de indução trifásico, recomenda-se a} leitura do Capítulo 2 do livro de Barnes (2003).

11 _{A velocidade síncrona do motor é diretamente proporcional a tensão de alimentação da rede.} 12 _{A depender da carga mecânica aplicada ao eixo do motor a velocidade assíncrona pode variar.}

é sustentado pela haste polida, passa por dentro da célula de carga, e que o potenciômetro é instalado de forma a medir a posição da haste polida da unidade.

As células de carga são transdutores de força. Seu princípio de funcionamento se baseia na variação de resistência elétrica sofrida por sensores denominados extensômetros (no inglês, strain gages), quando este é deformado. Os extensômetros são ligados em Ponte da Wheatstone. O Quadro 5.1 mostra as especificações da célula de carga acoplada a haste polida, e vista na Figura 5.3.

Quadro 5.1 Especificações da célula de carga usada na UB Capacidade Nominal (/kg) 1000

Material Aço inox

Sensibilidade (/mV) 2,000(0,002)

Erro combinado - % saída nominal < 0,03

Creep à capacidade nominal - % saída nominal 20 min: < 0,03 08 h: < 0,05

Temperatura de trabalho útil (/ºC) -5 a +60

Temperatura de trabalho compensada (/ºC) +0 a +50

Máx. sobrecarga s/ alterações - % cap. nominal 150

Sobrecarga de ruptura - % cap. nominal 300

Resistência elétrica entrada (/Ω) 400(4)

Resistência elétrica saída (/Ω) 350,0(3,5)

Deflexão máxima, a capacidade nominal (/mm) < 0,3

Grau de proteção (IEC 529) IP67

Potenciômetro Célula

de carga

Figura 5.3: Detalhe para a disposição da célula de carga e do potenciômetro instalados na haste polida.

onde o fenômeno de "fluência" ou creep, descrito no Quadro 5.1, consiste na variação da deformação ao longo do tempo após a aplicação da carga. Sendo a variação causada devido a escorregamentos entre as faces da estrutura cristalina do aço inoxidável. Este fenômeno apresenta variações aparentes na intensidade da força aplicada ao sensor, mesmo quando não ha incrementos na mesma.

O potenciômetro é um dispositivo elétrico que possui resistência elétrica ajustável. Ele é normalmente confeccionado com substrato em fio e carvão condutivo. Uma diferença de potencial elétrico foi aplicada ao potenciômetro, conectando a fonte de tensão aos terminais extremos deste, e a posição da haste polida foi lida tomando-se a variação de tensão entre o terminal central do potenciômetro e uma das outras extremidades. O Quadro 5.2 mostra as características do potenciômetro usado no experimento.

Quadro 5.2 Especificações do potenciômetro multivoltas usado na UB

Número máximo de voltas 10

Diâmetro do corpo 22 mm Resistência padrão 100 kΩ Incerteza-padrão 5 kΩ Temperatura de operação -40 °C a +125 °C Potência a 40 ºC Potência a 125 ºC 2 W 0 W

Taxa de ruído máximo (ENR) 100 Ω

5.1.3 Configuração do hardware

A Figura 5.4 (a) mostra a configuração do hardware utilizado na aquisição da posição e carga. Um transdutor de posição converte a posição da haste de bombeio em corrente elétrica, em uma escala de (4 a 20) mA. A corrente elétrica é então aquisitada pelo controlador lógico programável (CLP), que a transforma (de modo proporcional) em valores de posição, e por sua vez comunica com o servidor OPC13 por meio do protocolo TCP/IP. Finalmente, os dados são transferidos do servidor OPC via conectividade OPC, para serem amostrados pelo software Matlab®.

13 _{OPC (Open Productivity and Connectivity ou OLE for Process Control)se refere a uma série de} padrões e especificações de comunicação, transferência e armazenamento de dados, em formato não proprietário. Para mais detalhes sobre o OPC, recomenda-se uma visita ao sitio http://www.opcfoundation.org/.

A Figura 5.4 (a) mostra como a corrente de torque foi adquirida. No caso, o inversor de frequência controla a velocidade do motor e ao mesmo tempo envia as informações referentes ao controle do motor (como corrente de torque, corrente de saída, tensão AC, tensão DC no barramento do inversor, dentre outras) para o CLP por meio da rede industrial DeviceNet14; que por sua vez se comunica com o servidor OPC por meio do protocolo TCP/IP, e posteriormente é amostrado pelo software Matlab.